Диффузия это в физике кратко

Обновлено: 04.07.2024

Одно из первых понятий, которое встречается нам при изучении физики - это диффузия . Казалось бы, что если эта тема стоит самой первой, то она и самая простая.

Да, вопрос диффузии действительно один из самых простых, но это не значит, что он малозначимый. Диффузия встречается в нашей жизни повсеместно. Что же это такое?

Диффузией называется процесс взаимного проникновения частиц одного вещества между частицами другого вещества.

Как мы помним, все тела и объекты состоят, согласно физической теории, из атомов и молекул. Соответственно, если перефразировать теперь приведенное определение, то выйдет, что диффузия есть процесс взаимного проникновения атомов одного вещества между атомами другого вещества. В некоторых случаях уместно говорить о перемещении целых молекул одного вещества и другого вещества.

Процесс протекает самопроизвольно и сопровождается выравниванием концентраций тех веществ, которые участвуют в диффузии. Примерная логика процесса приведена на рисунке выше. Как видите, если мы смешаем две разнородных жидкости, тов результате концентрация выравнивается и мы получаем равномерный раствор.

Перенос вещества происходит из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Примеров в жизни предостаточно. Легче всего вникнуть в это понятие, описывая распространение запахов . Если в одной части помещения появился источник запаха, то рано или поздно во все комнате будет так пахнуть. Почему? Всё просто. Источник запаха - это частички вещества. Они попали в открытое пространство комнаты и началась диффузия. В итоге все концентрации выравниваются, а объемы перемешиваются. Получается комната с вонью.

Возникает и ещё один вопрос. Почему же тогда в случае с медным купоросом, как на картинке, диффузия протекает, а в случае, если мы налили масло в воду, то образуются две несмешивающиеся субстанции?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно понимать, каковы причины диффузии .

Причина диффузии

Все молекулы находятся в постоянном движении . Они перемещаются и, если не объединены в какие-то крупные агрегаты, имеют свободное движение. Есть такая штука, как броуновское движение . Кстати говоря, многие при изучении физики путают понятия диффузии и броуновского движения. Так вот, броуновское движение является причиной диффузии. Сама же диффузия есть процесс, порожденный броуновским движением.

Собственно говоря, это движение представляет собой постоянное хаотическое перемещение молекул . Когда встречается несколько разнородных веществ, эти броуновские движения начинают перемешиваться одна в другом и вызывают диффузию.

Броуновское движение легко наблюдать, если бросить в стакан с водой один кристаллик марганцовки и смотреть, как он тонет и постоянно прыгает по объему стакана.

Соответственно, возвращаясь к маслу в стакане,можно сказать, что субстанции эти рано или поздно всё равно перемешаются (правда срок может быть огромным), а мешает им это сделать граница раздела, которая становится непробиваемой пленкой на границе сред.

В каких телах возможна диффузия

Диффузия может протекать в жидкостях, газах и в твердых телах . Правда протекает она с разной скоростью. Быстрее всего происходит это в газах. Дальше в жидкостях. Ну а на последнем месте твердые тела.

Как вы думаете, возможна ли диффузия в твердых телах?

Да, конечно же, возможна! Кроме того, на этом физическом явлении держится целая группа обработки материалов. Существует так называемое диффузионное насыщение . Берется образец, засыпается специальным порошком или составом, ставится в печь и на выходе мы получаем слой с особыми свойствам. Сам же слой формируется в результате диффузинного насыщения.

Такой процесс может происходить и между двумя твердыми телами. Например, если положить друг на друга две отполированных пластиночки металла, то рано или поздно частички одного металла будут проникать в другой металл.

Причины

Причиной возникновения диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. д.).

Чтобы более детально понять, как работают механизмы диффузии, рассмотрим это явление на конкретном примере. Если взять перманганат калия (в народе более известен как марганцовка) (KMnO₄) и растворить в воде (H₂O), то марганцовка в результате диссоциации распадется на K+ и MnO₄-. Также важно заметить что молекула воды поляризирована и существует в виде сцепленных ионов H+ – OH-.

Из-за растворения марганцовки в воде произойдет хаотическое перемещение ионов обоих веществ, вследствие чего сцепленные ионы воды поменяют свой цвет и освободят место для других, еще не реагировавших ионов. Вода поменяет свой окрас и получит специфические свойства. Между водой и марганцовкой совершится диффузия.

Вот так этот процесс выглядит схематически.

Причем движимые частицы во время диффузии, всегда распространяются равномерно по всему предоставленному объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

Также важно знать, что явление диффузии происходит далеко не со всеми веществами. Например, если воду перемешать не с марганцовкой, а с маслом, то диффузии между ними не будет, так как молекулы масла электрически нейтральны. Образованию какого-то соединения с молекулами воды помешают сильные связи внутри молекулы масла.

Еще стоит заметить, что скорость диффузии значительно увеличится при увеличении температуры, что вполне логично, ведь с увеличением температуры возрастет скорость движения частиц внутри вещества и как следствие, повышается шанс их проникновения в молекулы другого вещества.

Формула

Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается при помощи закона Фика, и соответствующего уравнения:

В этом уравнении J – плотность материала, D – коэффициент диффузии, а ac/dx – градиент концентрации двух веществ.

Коэффициентом диффузии называют физическую величину, которая численно равна количеству диффундирующего вещества, которое проникает за единицу времени через единицу поверхности, если разность плотностей на двух поверхностях, находящихся на расстоянии равном единице длины, равна единице. Важно заметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

В твердых телах

В твердых телах диффузия происходит очень медленно, если вообще происходит. Ведь для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядочено.

Примером диффузии твердых тел может быть золото и свинец. Расположенные на расстояние 1 метра друг от друга, при комнатной температуре в 20 С, эти вещества будут понемногу проникать друг в друга, но будет это все идти очень медленно, подобная диффузия станет заметной не ранее чем через 4-5 лет.

В жидкостях

Скорость протекания диффузии в жидкостях в разы выше, нежели в твердых телах. Связи между частицами в жидкости гораздо слабее (обычно их энергии хватает максимум на образование капель), и взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ ничто не мешает.

Правда то, как быстро будет проходить диффузия, зависит от характера и консистенции жидкостей, в более густых растворах она происходит медленнее, ведь чем гуще жидкость, тем более сильные в ней связи между молекулами и тем труднее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, в то время как смешивание воды и марганцовки (из примера выше) осуществляется за минуту.

В газах

В газах диффузия происходит еще быстрее, чем в жидкости, связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, и никак не сцепленные частицы легко перемешиваются друг с другом, проникая в молекулы других газов. Небольшие коррективы при диффузии газов может вносить разве только гравитация.

Примеры в окружающем мире

поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности нашей планеты,
происходит питание растений,
осуществляется дыхание человека и животных.

Значимый биологический процесс – фотосинтез осуществляется, в том числе и при помощи диффузии: как мы знаем, благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на составляющие, кислород, который выделяется при этом, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Так вот, и сам процесс поглощения кислорода человеком и животными, и обмен веществ у растений, все это поддерживается диффузией, без которой не могла бы существовать сама Жизнь.

Но это в глобальном плане, в более простых вещах, мы можем наблюдать диффузию:

Моделью вещества, состоящего из постоянно движущихся молекул, объясняются некоторые физические явления. К примеру, диффузия — проникновение молекул одного вещества в молекулы другого. Рассмотрим данное явление подробнее.

Начнем с газообразных тел. Представьте, что вы сидите за уроками в своей комнате и вдруг почувствовали вкусный запах с кухни. Почему это произошло? Блюдо, которое готовится к обеду, состоит из большого числа молекул, которые все время движутся и сталкиваются: мясо, масло, специи.

При нагревании отдельные молекулы отделились от остальных, смешавшись с молекулами воздуха и стали перемещаться по квартире. Это явление уже упоминавшейся диффузии — взаимное проникновение молекул разных веществ.

Диффузия может происходить в жидкостях и даже в твердых телах, но только значительно медленнее.

Другой вопрос: почему же запахи не доносятся до нас мгновенно? Мы уже упоминали о беспрерывном и хаотичном движении молекул воздуха. таким образом, молекулы постоянно сталкиваются, меняют свое направление, и беспорядочно перемещаясь, разлетаются по помещению.

Рассмотрим опыт, который покажет нам, что молекулы, из которых состоят тела, находятся в беспорядочном движении и в жидких телах (рисунок 12).

Рисунок 12. Иллюстрация опыта с водой и медным купоросом.

Для начала нальем в стакан раствор медного купороса темно-голубого цвета (часто используется как бытовой антисептик). Затем аккуратно нальем в этот же стакан воды.

Вначале между жидкостями будет видна резкая граница, но со временем она будет размываться. Через 2-3 недели граница исчезнет совсем: процесс диффузии завершится.

Если рассмотреть данный процесс на молекулярном уровне (рисунок 13), то прекрасно видно, что молекулы воды и медного купороса на границе раздела этих двух жидкостей начинают меняться местами, а со временем жидкость в стакане и вовсе станет однородной.

Рисунок 13. Диффузия в жидкостях (раствор медного купороса и вода).

В твердых телах также происходит диффузия, но только значительнее медленнее. Например, при комнатной температуре около $20 \space C \degree$ золото и свинец взаимно проникнут друг в друга на расстояние около 1 мм только через 4-5 лет (рисунок 14).

Рисунок 14. Диффузия в твердых телах (золото и свинец).

Диффузия — это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого

Как мы уже говорили, явление диффузии объясняется непрерывным хаотичным движением молекул, в процессе которого молекулы одного вещества проникают в межмолекулярные промежутки другого.

Процесс диффузии напрямую зависит от температуры, т.к. с увеличением температуры увеличивается скорость движения молекул.

Процесс диффузии окружает нас как в повседневной жизни, так и в природе. Зачем мы завариваем чай в кипятке, ведь потом нужно ждать, пока он остынет? Почему не разогреть воду только до комфортной температуры?

Ответ — чтобы ускорить процесс диффузии. В кипятке диффузия между молекулами чая, сахара и воды будет происходить намного быстрее, и чай заварится быстрее и лучше.

В промышленности диффузия широко используется в технике при сварке деталей, склеивании. В природе благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха рядом с поверхностью Земли, а диффузия солей в почве позволяет растениям получать нормальное питание.

Для того чтобы сахар в чае растворился быстрее, его нужно размешать. Но, оказывается, если этого не делать, то все равно через некоторое время весь сахар растворится, и чай станет сладким. В ходе этого урока вы узнаете, что такое самопроизвольное перемешивание веществ объясняется непрерывным хаотическим движением молекул, а называется такое явление диффузией.

Читайте также: